TBM、盾構(gòu)盤形滾刀硬巖掘進(jìn)的刃口磨損形狀分析及優(yōu)化對策

張寧川

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司, 河南 鄭州 450016)

0 引言

盤形滾刀滾壓破巖雖然是各種機(jī)械破巖方法中最高效的[1]，但滾刀消耗費(fèi)用占比較大。例如：根據(jù)早期秦嶺鐵路隧道的費(fèi)用統(tǒng)計(jì)可知，滾刀消耗費(fèi)用占比高達(dá)20%～30%。根據(jù)巖石壓入硬度為單軸強(qiáng)度的5～20倍關(guān)系[2]換算可知，巖石單軸強(qiáng)度很大時(shí)，其壓入硬度與滾刀刃口金屬的壓入硬度接近，因此破巖中滾刀的磨損是不可避免的。減少滾刀磨損的研究一直在進(jìn)行，目前已有不少學(xué)者首先從提高破巖效率以減少滾刀磨損方面進(jìn)行了研究，例如：張桂菊等[3]采用顆粒離散元法建立二維數(shù)值模型，得到破巖效果最優(yōu)的動(dòng)靜荷載組合；蘇利軍等[4]采用顆粒流方法建立二維數(shù)值模型模擬破巖，得出中等強(qiáng)度圍巖中楔形刀刃產(chǎn)生的徑向裂紋效果更為顯著、高強(qiáng)度圍巖中平刃對巖石的破壞更大但所需推力更大的結(jié)論；龔秋明等[5]利用試驗(yàn)臺(tái)研究刀間距對破巖效率的影響，認(rèn)為當(dāng)?shù)堕g距與貫入度的比值為30時(shí)，比能值最低、破巖效率最高;彭琦[6]進(jìn)行了圍壓對破巖影響機(jī)制的研究，認(rèn)為圍壓越高對破巖越有利；施雪松等[7]采用顆粒流方法揭示了不同節(jié)理特征對破巖效率的影響。其次是滾刀的磨損機(jī)制、損壞形式、數(shù)值模型預(yù)測方面的研究。例如：姚印彬[8]以武漢某過江隧道為例分析了常壓泥水盾構(gòu)滾刀非正常磨損的原因，提出了優(yōu)化刀筒裝配程序、降低刀圈硬度等措施；竺維彬等[9]以40臺(tái)次的掘進(jìn)統(tǒng)計(jì)對滾刀磨損進(jìn)行了定性分類，提出了復(fù)合地層滾刀磨損對策；洪開榮[10]依據(jù)引漢濟(jì)渭嶺南隧洞2 000 m磨損統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了高強(qiáng)度高磨蝕地層滾刀磨損的原因，并提出了優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)等措施；秦銀平等[11]基于Rabinowicz磨粒磨損引入CSM破巖模型對磨損進(jìn)行研究，構(gòu)建了滾刀磨損速率預(yù)測模型；張厚美[12-13]對滾刀重復(fù)破碎與二次磨損規(guī)律以及滾刀滑動(dòng)磨損進(jìn)行了研究，首次提出了重復(fù)破碎與二次磨損定量計(jì)算方法及磨損規(guī)律；孫振川等[14]以引漢濟(jì)渭嶺南TBM工程二長花崗巖滾刀磨損為例，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)巖石的磨蝕性由其抗壓強(qiáng)度與礦物成分共同決定,刀圈的耐磨性主要取決于材料的成分及組織，認(rèn)為破巖體積更能準(zhǔn)確衡量滾刀磨損的快慢，重復(fù)磨損對邊刀影響大；王旭等[15]基于摩擦磨損學(xué)原理分析了刀圈磨損機(jī)制、刀圈刃口3種磨損形式(磨平、雙曲線、尖狀)，認(rèn)為高強(qiáng)度巖石是刃口磨平的主因，中強(qiáng)度巖石是刃口磨出雙曲線的主因，低強(qiáng)度巖石是刀口磨尖的主因；金艷秋等[16]對引洮9號(hào)隧洞TBM滾刀磨損原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為不完全膠結(jié)砂巖及刀盤開口率低是導(dǎo)致刃口磨成尖狀的原因。上述研究多從正向的角度對破巖與滾刀磨損進(jìn)行分析，少數(shù)研究雖然注意到滾刀刃口磨損形狀但分析不足。通過現(xiàn)場觀察了國產(chǎn)盾構(gòu)TBM滾刀刃口磨損形狀，認(rèn)為這是滾刀與巖石作用結(jié)果的一種真實(shí)反映，并反過來會(huì)影響破巖效率。本文結(jié)合刃口磨損形狀對應(yīng)的地層、設(shè)備類型與滾刀配置、滾刀梯度硬度耐磨度、掘進(jìn)參數(shù)等情況，從反向分析的角度，對滾刀磨損綜合原因進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)減少磨損、提高破巖效率的優(yōu)化措施。

本文僅對正常磨損的正滾刀的刃口形狀進(jìn)行分析并提出優(yōu)化對策，不包括中心刀、邊刀以及原因比較明確的各種異常損壞。由于開挖面滾刀的破巖過程無法直接進(jìn)行觀察，刃口正常磨損形狀的分析檢測及原因推斷屬于靜態(tài)的事后分析，是運(yùn)用機(jī)械學(xué)、力學(xué)等原理進(jìn)行的推斷和探討。

1 滾刀正常磨損的3種刃口形狀及機(jī)制分析

1.1 尖鼓形刃口

如圖1所示的滾刀刃口磨損被稱為尖鼓形刃口。刃口的中間為尖棱，兩側(cè)為鼓凸出的輪廓面，是一種二次磨損嚴(yán)重的刃口形狀，在土壓平衡盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)、TBM刀盤中均有出現(xiàn)。形成尖鼓形刃口磨損的原因是：1)土艙內(nèi)堆積有一定量的巖塊渣土；2)渣土顆粒硬度很大；3)滾刀冷卻良好。刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)滾刀刃口在刀盤線速度方向需要排開堆積的渣土，產(chǎn)生了對滾刀外露于刀盤面板部分表面持久的二次滑動(dòng)摩擦，特別是渣土中含有一定比例的石英顆粒時(shí)，刀圈表面金屬刮削的磨粒磨損作用更加明顯。持久的磨粒刮削使二次磨損速度大于刃口純滾動(dòng)的一次磨損，故在破巖過程中刃口兩側(cè)不斷被快速磨損，從而始終保持尖鼓形狀。要形成尖鼓形狀，滾刀冷卻必須良好，否則尖棱極易因高溫軟化消失。即使是在極高強(qiáng)度的巖石中也能磨出尖鼓形刃口，例如：中鐵裝備公司應(yīng)用于新加坡的泥水盾構(gòu),在200 MPa的花崗巖中磨出了尖鼓形刃口。但如果土艙的渣土以黏土為主，由于黏粒吸附的強(qiáng)弱結(jié)合水膜具有潤滑作用，則因二次磨損作用不明顯，不會(huì)產(chǎn)生尖鼓形的刃口磨損形狀。

圖1 尖鼓形刃口

1.1.1 土壓平衡盾構(gòu)產(chǎn)生尖鼓形刃口磨損的機(jī)制分析

土壓平衡盾構(gòu)在全斷面巖石地層中掘進(jìn)一般會(huì)出現(xiàn)尖鼓形刃口磨損。在局部或全斷面的巖石地層中，由于開挖面穩(wěn)定，盾構(gòu)經(jīng)常會(huì)采用敞開模式或者氣壓模式掘進(jìn)，但由于土壓平衡盾構(gòu)需要采用螺旋機(jī)出渣，故土艙中必須至少存有小半艙渣土，使艙內(nèi)渣面高于螺旋機(jī)進(jìn)口，以便渣土能夠進(jìn)入螺旋口。而當(dāng)?shù)侗P和滾刀掃過土艙下部積渣時(shí)，滾刀由于二次磨損而形成尖鼓形刃口。盾構(gòu)硬巖氣壓模式掘進(jìn)示意圖如圖2所示。

1—盾構(gòu)硬巖中半艙掘進(jìn)時(shí)的氣壓；2—排開渣土的外環(huán)位置的滾刀；3—土艙底部的渣土。

圖3(a)為中鐵裝備172#土壓平衡盾構(gòu)在廈門地鐵中風(fēng)化、微風(fēng)化花崗巖地層掘進(jìn)過程中進(jìn)艙檢查拍攝的滾刀尖鼓形刃口照片。二次磨損形成了刃口的尖鼓形磨損形狀。

圖3(b)為中鐵裝備234#土壓平衡盾構(gòu)在武漢地鐵全斷面砂質(zhì)泥巖地層掘進(jìn)過程中進(jìn)艙檢查拍攝的滾刀尖鼓形刃口照片。

(a)廈門地鐵中鐵裝備172#土壓平衡盾構(gòu)滾刀尖鼓形刃口磨損照片

1.1.2 泥水盾構(gòu)產(chǎn)生尖鼓形磨損的機(jī)制分析

硬巖掘進(jìn)的泥水盾構(gòu)泥水艙中充滿了懸浮著各種硬顆粒的混合漿液，對滾刀產(chǎn)生強(qiáng)烈的二次摩擦磨損作用。如果泥漿環(huán)流系統(tǒng)出現(xiàn)滯排，大顆粒渣土堆積在氣墊艙下部，導(dǎo)致泥水艙渣土堆積，進(jìn)而加劇滾刀的二次磨損。圖4(a)為中鐵209#泥水盾構(gòu)在新加坡地鐵全斷面中微風(fēng)化花崗巖地層掘進(jìn)過程中進(jìn)艙檢查拍攝的滾刀尖鼓形刃口磨損照片。圖4(b)為廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道SDⅢ標(biāo)NFM泥水盾構(gòu)在泥質(zhì)粉砂巖地層掘進(jìn)過程中進(jìn)艙拍攝的滾刀尖鼓形刃口磨損照片。

(a)新加坡地鐵泥水盾構(gòu)滾刀尖鼓形刃口磨損照片

如果為常壓泥水盾構(gòu)，除了上述的泥水艙二次磨損，還常伴有常壓滾刀刀筒內(nèi)渣土堵塞，會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的二次磨損，形成尖鼓形刃口磨損，例如圖5所示的佛莞城際交通3標(biāo)常壓泥水盾構(gòu)在砂巖掘進(jìn)過程中形成的滾刀尖鼓形刃口磨損。

圖5 佛莞城際交通3標(biāo)常壓泥水盾構(gòu)滾刀尖鼓形刃口磨損照片

1.1.3 敞開式或護(hù)盾式TBM產(chǎn)生尖鼓形磨損的機(jī)制分析

TBM刀盤面板前的渣土從進(jìn)渣口進(jìn)入刀盤內(nèi)的溜渣板后，溜渣板攜帶的渣土?xí)S刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)到上部，在重力作用下下溜到土艙中心集料斗內(nèi)由中心皮帶機(jī)向后運(yùn)送。故TBM刀盤理論上在土艙內(nèi)不存留渣土，因而不會(huì)產(chǎn)生對滾刀的二次磨損作用。但如果刀盤進(jìn)渣口尺寸過小，進(jìn)渣口容易被石粉泥餅堵塞，導(dǎo)致刀盤前面存留大量碎渣，也會(huì)造成滾刀二次磨損。這是TBM出現(xiàn)比例較大的尖鼓形刃口磨蝕的原因。圖6為深圳地鐵6號(hào)線中鐵382#雙護(hù)盾TBM刀盤進(jìn)渣口泥餅堵塞照片，刃口尖鼓形磨損照片如圖7所示。

圖6 深圳地鐵6號(hào)線中鐵382# 雙護(hù)盾TBM刀盤進(jìn)渣口泥餅堵塞照片

圖7 深圳地鐵6號(hào)線中鐵382#雙護(hù)盾TBM刀盤刃口尖鼓形磨損照片

綜上所述，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)采用的掘進(jìn)模式具備二次磨損條件且渣土強(qiáng)度和硬度較大時(shí)，包括土壓平衡盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)、TBM等在內(nèi)的機(jī)型的滾刀均可出現(xiàn)尖鼓形刃口磨損。

1.2 棱形刃口

圖8(a)為中鐵125#土壓平衡盾構(gòu)在南寧地鐵1號(hào)線埌—百區(qū)間泥巖地層掘進(jìn)過程中滾刀的刃口磨損照片。本文將該磨損稱為棱形刃口磨損，是一種在軟巖掘進(jìn)中出現(xiàn)的刃口磨損形狀。圖8(b)為中鐵241#TBM在蘭州水源地引水隧洞花崗巖掘進(jìn)中出現(xiàn)的棱形刃口磨損照片，是一種在脆性硬巖掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的刃口磨損。

(a)南寧地鐵1號(hào)線中鐵125#土壓平衡盾構(gòu)滾刀棱形刃口磨損照片

1.2.1 脆性巖石形成棱形刃口磨損的機(jī)制分析

與尖鼓形刃口磨損形狀不同的是，棱形刃口磨損形狀中刃口中心雖存在凸出的尖棱，但尖棱兩側(cè)高度低于尖棱的凹弧。原因分析如下：滾刀破巖時(shí)，刃口下方的脆性巖石在積儲(chǔ)足夠的彈性能量發(fā)生剪切破壞后，刃口兩側(cè)的巖片突然破裂飛出，劇烈的摩擦強(qiáng)烈磨蝕刃口兩側(cè)的金屬，形成棱形刃口磨損形狀。此種磨損形狀多出現(xiàn)在二次磨損較少的TBM刀盤中。圖9為刀盤試驗(yàn)臺(tái)破巖試驗(yàn)中碎屑從刃口兩側(cè)爆炸性飛濺的照片。碎屑的方向和速度表明這種磨蝕是存在的。同時(shí)，也可反推出當(dāng)刃口出現(xiàn)這種形狀時(shí)，破巖的狀態(tài)是良好的，并能夠形成如下良性循環(huán)：一方面，滾刀刃口中間的凸棱面積小，滾刀推力很容易對巖體接觸面造成高壓強(qiáng)，促使巖體產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展貫通形成破片，獲得較為理想的貫入度，形成文獻(xiàn)[1]所述的以斷裂體為主的碎屑，斷裂體在巖屑中占比較大，破巖比能降低，效率提高；另一方面，隨著刃口兩側(cè)金屬的快速磨損，凸棱能夠一直保持尖凸?fàn)顟B(tài)，即使刃口正常磨損到根部，刃口凸棱依然尖凸，仍使接觸區(qū)保持有效的高壓強(qiáng)。從新刀磨損到規(guī)定的換刀直徑時(shí)都能保持良好的破巖狀態(tài)，從而可以延長滾刀的有效使用壽命。

圖9 破巖試驗(yàn)中碎屑從刃口兩側(cè)爆出

1.2.2 軟巖產(chǎn)生棱形刃口磨損的機(jī)制分析

棱形刃口磨損經(jīng)常出現(xiàn)在只有3～5 MPa的泥巖或泥質(zhì)粉砂巖的盾構(gòu)掘進(jìn)中，由于圍巖較軟，推測滾刀刃口滾壓時(shí)破片飛濺的情況較少，刃口下方的巖體塑性變形后從刃口的兩側(cè)被擠出，對刃口兩側(cè)金屬也起到摩擦磨蝕作用，形成棱形刃口，如圖10所示。由于軟巖渣土的磨蝕性低，二次磨損作用不強(qiáng)，即使土艙積渣也不能形成1.1節(jié)所述的尖鼓形刃口磨損。

圖10 軟巖掘進(jìn)過程中盾構(gòu)滾刀刃口下方土體向兩側(cè)擠出后形成棱形刃口磨損示意圖

由于單純依靠刃口對軟巖的擠入來實(shí)現(xiàn)貫入，隨著刃口磨損到根部，刃口的寬度越來越大，刀盤推力越來越大，推進(jìn)速度逐漸降低。例如：中鐵裝備公司的583#土壓平衡盾構(gòu)在成都地鐵11號(hào)線低強(qiáng)度的泥質(zhì)粉砂巖掘進(jìn)中整盤滾刀均出現(xiàn)如圖11所示的棱形刃口磨損，隨著滾刀磨損到根部，推力越來越大，推進(jìn)速度越來越低。

圖11 成都地鐵11號(hào)線中鐵583#土壓平衡盾構(gòu)滾刀棱形刃口磨損照片

文獻(xiàn)[15]中描述的甘肅引洮9號(hào)隧洞雙護(hù)盾TBM在軟弱未完全膠結(jié)的碎屑沉積巖中掘進(jìn)出現(xiàn)了棱形刃口，隨著棱形刃口磨損到根部出現(xiàn)了刃寬逐漸變大、推力逐漸變大、推進(jìn)速度逐漸降低的情況，說明的也是該種工況。

1.3 矩形刃口

1.3.1 矩形刃口磨損形態(tài)

圖12(a)為引漢濟(jì)渭嶺南隧洞羅賓斯敞開式TBM花崗巖掘進(jìn)過程中滾刀矩形刃口磨損照片；圖12(b)為遼西北供水工程2段5標(biāo)TBM花崗巖掘進(jìn)過程中滾刀矩形刃口磨損照片；圖12(c)所示為汕頭榕江引水隧洞中鐵770#TBM花崗巖掘進(jìn)過程中滾刀矩形刃口磨損照片；圖12(d)為蘭州水源地引水隧洞中鐵241#TBM花崗巖掘進(jìn)過程中滾刀矩形刃口磨損照片。

(a)引漢濟(jì)渭嶺南隧洞TBM滾刀矩形刃口磨損照片 (b)遼西北供水工程TBM掘進(jìn)過程中滾刀矩形刃口磨損照片

1.3.2 矩形刃口磨損形成機(jī)制分析

根據(jù)施工案例中滾刀磨損統(tǒng)計(jì)可知，滾刀刃口的矩形磨損形狀普遍出現(xiàn)在采用TBM掘進(jìn)、圍巖強(qiáng)度大于150 MPa、完整性好、風(fēng)化程度低的場合中。按照文獻(xiàn)[2]的描述，巖石的壓入硬度為抗壓強(qiáng)度的5～20倍，單軸抗壓強(qiáng)度為150 MPa的巖石最高壓入硬度可達(dá)3 000 MPa，滾刀較難以擠壓產(chǎn)生裂紋破片方式破巖，多以碾磨和粉碎方式破巖，貫入度一般小于4 mm。由于破片飛濺少且兩側(cè)磨損少，刃口不能自然磨尖；巖石硬度大，磨粒磨損速度快，且TBM刀盤積渣少，產(chǎn)生的二次磨損很少，故刃口趨于磨平。為了獲得貫入度，滾刀推力加大后荷載增大，進(jìn)而發(fā)熱量大、溫度高，如果TBM刀盤的噴水系統(tǒng)對滾刀冷卻效果跟不上，刃口即使有尖棱也會(huì)在高溫下軟化、在重壓下壓平。例如：泥水盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)在冷卻充分的條件下，即使是在140 MPa圍巖(例如廈門全斷面花崗巖的土壓平衡盾構(gòu))或200 MPa圍巖(例如新加坡全斷面花崗巖的泥水盾構(gòu))條件下，在二次磨損輔助下，滾刀刃口仍能保持尖鼓形磨損形狀。刃口出現(xiàn)矩形磨損時(shí)推進(jìn)的貫入度低，掘進(jìn)進(jìn)尺不能滿足施工進(jìn)度要求。

2 尖鼓形及棱形刃口磨損帶來的思考

根據(jù)現(xiàn)有的研究可知，滾刀刃口對巖面的破壞作用越大，破巖效果越好[4]。各種物理數(shù)值模型的二維圖像及試驗(yàn)臺(tái)巖樣剖分面顯影圖像也顯示刃口下巖石的破壞區(qū)域越大，裂紋越多越深。這就需要滾刀刃口具有一定的刃寬(13～20 mm)，才能在下方形成較大的密實(shí)核粉碎區(qū)，將垂直推力按靜水壓力傳力原理轉(zhuǎn)化為各向力產(chǎn)生放射性裂紋。若刃口尖銳，形成的粉核區(qū)小，難以在巖面形成裂紋，破巖效果會(huì)很差。這也是經(jīng)過很多試驗(yàn)臺(tái)的破巖試驗(yàn)后驗(yàn)證得到的。

尖銳的刃口是一種另類。每次進(jìn)艙檢查都會(huì)看到一些正常磨損的滾刀具有尖銳的形狀。新刀刃口在最初幾mm的高度內(nèi)還可能大致保持“最佳”形狀，再往下就會(huì)被特定的環(huán)境改造為它們“應(yīng)該”具有的形狀。圖13所示為長沙南湖路泥水盾構(gòu)礫巖掘進(jìn)尖鼓形磨損照片，新刀刃口磨損10 mm后由初始的圓弧形刃口變?yōu)榧夤男稳锌凇?/p>

圖13 長沙南湖路泥水盾構(gòu)礫巖掘進(jìn)尖鼓形刃口磨損

當(dāng)工作人員進(jìn)艙檢查看到尖銳刃口時(shí)，它們已經(jīng)在這種狀態(tài)下工作很長時(shí)間了。圖14所示為佛莞城際軌道交通3標(biāo)隧道常壓泥水盾構(gòu)砂巖地層掘進(jìn)過程中尖鼓形刃口磨損量為33 mm的照片，說明滾刀長期以尖刃進(jìn)行破巖。

圖14 常壓泥水盾構(gòu)砂巖地層掘進(jìn)過程中尖鼓形刃口磨損照片

不管這些刃口磨損的形狀相對現(xiàn)有的破巖基礎(chǔ)理論是否合理，它們都實(shí)際存在，并且盾構(gòu)以這種刃口磨損的形狀長期掘進(jìn)破巖并具有進(jìn)度。真正長期影響破巖效果的是這些“自然形成”的刃口形狀，如果利用刀盤試驗(yàn)臺(tái)研究這些尖銳的刃口形狀對破巖的影響會(huì)有實(shí)際意義。這是因?yàn)椴荒苤竿堪褲L刀刃口從開始使用到壽命周期終點(diǎn)被更換時(shí)，都會(huì)一直保持新刀的初始刃口形狀。尖銳的刃口為什么能夠破巖？效果如何？應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究并建立相關(guān)理論。

3 破巖效率的優(yōu)化與對策

根據(jù)掘進(jìn)施工經(jīng)驗(yàn)可知，提高破巖能力最直接的辦法是增大滾刀的推力。文獻(xiàn)[4]中第3條和第4條的結(jié)論也闡述了推力對巖石破壞的正比作用。但推力的增加需要配置高性能的滾刀。假設(shè)滾刀軸承承載力很大，刀圈硬度高、強(qiáng)度高、韌性好，則再強(qiáng)的巖石掘進(jìn)也會(huì)獲得理想的貫入度。但現(xiàn)在哪怕對滾刀的性能提高一點(diǎn)也要付出很大的努力和很長的時(shí)間，而通過工法與設(shè)備的最優(yōu)配置充分發(fā)揮現(xiàn)有滾刀的性能，盡可能滿足施工要求卻是在設(shè)備采購時(shí)或現(xiàn)場施工時(shí)短時(shí)間內(nèi)就可以做到的。通過優(yōu)化設(shè)備選型方案，利用分析刃口磨損形狀掌握掘進(jìn)狀態(tài)來調(diào)整在用設(shè)備及刀具的配置和使用，在一定程度上可以彌補(bǔ)滾刀性能的不足，提高掘進(jìn)效率。

3.1 滾刀產(chǎn)生尖鼓形磨損的利弊與對策

3.1.1 利弊分析

雖然尖鼓形刃口的中心棱不需要太大推力即可產(chǎn)生對巖面的巨大壓強(qiáng)，有利于壓潰中等強(qiáng)度巖石形成破片，且二次磨損作用可始終使刃口保持這種形態(tài)。但二次磨損卻加快了滾刀的總體磨損速度。例如：根據(jù)佛莞城際軌道交通3標(biāo)常壓泥水盾構(gòu)刀具在500—700環(huán)、巖層強(qiáng)度為60 MPa的砂巖中滾刀磨損統(tǒng)計(jì)，對于482.6 mm(19英寸)滾刀，每刃開挖方量折合為全磨損掘進(jìn)方量平均只有250 m3左右，低于類似砂巖泥水盾構(gòu)滾刀磨損統(tǒng)計(jì)值；深圳地鐵不同隧道區(qū)間物理力學(xué)參數(shù)相同的花崗巖層，盾構(gòu)掘進(jìn)滾刀的平均消耗量約為TBM平均消耗量的3倍，盾構(gòu)每把滾刀掘進(jìn)量約為100 m3(包含了異常損壞，下同)，而TBM的每把滾刀可開挖300～400 m3。這就是盾構(gòu)在硬巖掘進(jìn)中存在嚴(yán)重二次磨損的原因。

3.1.2 優(yōu)化措施與對策

3.1.2.1 優(yōu)化盾構(gòu)選型

近年來多模式盾構(gòu)技術(shù)越來越成熟，在復(fù)合地質(zhì)條件下采用多模式盾構(gòu)有利于工程安全和經(jīng)濟(jì)效益。從避免二次磨損的角度出發(fā)選用“土壓-TBM”、“泥水-TBM”雙模盾構(gòu)，即在軟土洞段采用盾構(gòu)模式，在全斷面硬巖洞段采用TBM模式，可避免或減輕滾刀二次磨損。選用“直排-氣墊”雙模泥水盾構(gòu)，在無大粒徑掉塊的巖層中采用直排模式時(shí)可降低泥水艙漿液濃度，也可減緩滾刀二次磨損。

3.1.2.2 優(yōu)化刀盤設(shè)計(jì)

TBM刀盤需要綜合考慮進(jìn)渣口數(shù)量、進(jìn)渣口開度尺寸與滾刀刀箱數(shù)量之間的關(guān)系，防止進(jìn)渣口過小出現(xiàn)被石粉泥餅堵塞的現(xiàn)象。

3.1.2.3 盾構(gòu)渣土改良

土壓平衡盾構(gòu)用于局部全斷面硬巖洞段時(shí)，即使在采用敞開模式或氣壓模式的同時(shí)，如果能夠進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑粮牧迹档驮恋膬?nèi)摩擦因數(shù)，則也能夠有效減緩二次磨損。

3.1.2.4 優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)

在地質(zhì)條件許可時(shí)，相同的推進(jìn)速度雖然可采用“大貫入度、低轉(zhuǎn)速”和“小貫入度、高轉(zhuǎn)速”2種方式來實(shí)現(xiàn)，但前者可以減少刀盤在同里程長度內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)，從而減少磨損。很多盾構(gòu)司機(jī)害怕刀盤轉(zhuǎn)矩上升導(dǎo)致推力加大，從而采用小貫入度，相當(dāng)于加長了滾刀的軌跡行程，增加了磨損。實(shí)際上在設(shè)備強(qiáng)度和性能允許的范圍內(nèi)，應(yīng)充分發(fā)揮設(shè)備的性能才能取得更好的效益。

3.2 滾刀產(chǎn)生棱形刃口磨損的利弊與對策

3.2.1 利弊分析

在中等強(qiáng)度脆性圍巖掘進(jìn)中出現(xiàn)棱形刃口磨損形狀是滾刀及掘進(jìn)參數(shù)與圍巖能夠很好匹配的表現(xiàn)，刀盤破巖效果較好，渣土中碎斷體和斷裂體的比例較高[1]，破巖比能小，滾刀磨損小。出現(xiàn)這種刃口形狀時(shí)，貫入度一般都在7～12 mm，破巖效率較高，這是施工人員希望和期待的狀況。如果圍巖強(qiáng)度合適而滾刀卻沒有出現(xiàn)棱形刃口，則說明破巖沒有達(dá)到應(yīng)有的理想狀態(tài)。

3.2.2 優(yōu)化措施與對策

3.2.2.1 設(shè)定合適的滾刀推力

不同的圍巖強(qiáng)度對應(yīng)不同的滾刀推力。圍巖強(qiáng)度越大，滾刀需要的推力也越大，如果遇到超強(qiáng)圍巖，有時(shí)不得不用掉滾刀的推力儲(chǔ)備(為額定值的3～4倍)，以減少軸承壽命為代價(jià)使?jié)L刀的荷載推力值大于滾刀軸承的額定承載值，以獲得必要的貫入度。例如：引漢濟(jì)渭南口隧洞TBM在150 MPa的花崗巖掘進(jìn)中就采取了刀盤推力大于滾刀額定承載力總和值的措施。如果沒有進(jìn)度，滾刀的使用壽命周期再長也沒有實(shí)際意義。

3.2.2.2 設(shè)定合適的推進(jìn)速度

如果設(shè)定的推進(jìn)速度低，雖然能夠產(chǎn)生貫入度但會(huì)導(dǎo)致實(shí)際貫入度過小，刃口兩側(cè)破片飛濺速度小使兩側(cè)金屬磨蝕速度低，則刃口磨蝕不出凸棱形狀，或凸棱很低。所以應(yīng)根據(jù)荷載推力的大小在許可時(shí)適當(dāng)加大推進(jìn)速度，使?jié)L刀的磨蝕進(jìn)入棱形良性循環(huán)的狀態(tài)，并獲得良好的進(jìn)度。

3.2.2.3 優(yōu)化刀盤及主機(jī)設(shè)計(jì)

TBM設(shè)計(jì)時(shí)對刀間距、滾刀規(guī)格、渣土流動(dòng)性、刀盤推力等進(jìn)行綜合考慮，并優(yōu)化主機(jī)性能(例如推力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等)，為以后的掘進(jìn)方案預(yù)留可調(diào)整范圍，以在地質(zhì)超常變化時(shí)使?jié)L刀保持良好的破巖效果。

對于塑性較好的軟巖，純粹依靠刃口擠入，則棱形刃口磨損對貫入度沒有什么幫助。所以應(yīng)選用牙側(cè)角較小的窄刃滾刀，以便長期保持適當(dāng)?shù)娜袑挕?/p>

3.3 滾刀產(chǎn)生矩形平刃口的利弊與對策

3.3.1 利弊分析

矩形刃口磨損往往發(fā)生于極硬的花崗巖中，滾刀因貫入困難而磨成平刃，隨著刃口磨損刃寬越來越大，刃口接觸面越來越大，壓強(qiáng)越低，更不易形成破片，導(dǎo)致惡性循環(huán)。

3.3.2 優(yōu)化措施與對策

3.3.2.1 改善滾刀的品質(zhì)與參數(shù)

引漢濟(jì)渭南口隧洞采用羅賓斯敞開式TBM施工，在采用了羅賓斯新研制的XHD超硬鋼刀圈后，刀圈的耐磨壽命比原來HD刀圈提高了20%。由于刀圈材質(zhì)優(yōu)良、抗斷裂，滾刀刃寬也減少到13 mm，以便減少刃口與巖石的接觸面積，進(jìn)而提高壓強(qiáng)利于貫入。同時(shí)，牙側(cè)角減小也利于刃口長期保持窄刃。

為了使?jié)L刀兼具高硬度及高韌性，不少硬巖掘進(jìn)施工項(xiàng)目采用了如圖15所示的扁齒滾刀。國內(nèi)刀具廠商也開發(fā)了梯度硬度光面滾刀：刀圈內(nèi)孔硬度約為40 HRC，刀刃部位硬度為57～60 HRC，最高硬度可達(dá)60～62 HRC。內(nèi)圈較軟處沖擊功可達(dá)25～30 J，以使刀圈硬度和韌性互相兼容。近年來，珠三角地區(qū)、濟(jì)南、廈門、武漢、成都、南寧、貴陽等地很多地鐵或交通隧洞項(xiàng)目采用扁齒刀，普遍使?jié)L刀壽命提高了數(shù)倍，但僅能用于中等強(qiáng)度以下的圍巖，當(dāng)圍巖強(qiáng)度很高時(shí)容易崩齒。圖15為中鐵733#盾構(gòu)用于貴陽地鐵3號(hào)線1期工程14標(biāo)師范學(xué)院站—東風(fēng)鎮(zhèn)站區(qū)間灰?guī)r地層掘進(jìn)的扁齒滾刀，巖石強(qiáng)度為63 MPa，存在硬質(zhì)合金齒，有崩齒現(xiàn)象。因此，滾刀性能的提高是影響極硬巖石滾刀掘進(jìn)開挖效率的重要因素。因?yàn)橄鄬τ跐L刀性能的提高，掘進(jìn)機(jī)刀盤推力的增大更容易實(shí)現(xiàn)。

圖15 貴陽地鐵3號(hào)線灰?guī)r白云巖盾構(gòu)掘進(jìn)的扁齒滾刀磨損照片

3.3.2.2 探索其他輔助破巖方式

由于在極硬巖中單純采用滾刀滾壓破巖會(huì)遇到諸多難以迅速解決的困難和不利因素，因此不得不進(jìn)行其他全新的破巖方式的研究。例如：中鐵工程裝備公司在福建龍巖引水隧洞工程中研發(fā)了超高壓水射流輔助破巖技術(shù)(如圖16所示)，即在常規(guī)TBM刀盤上布置的噴嘴利用超高壓水射流切割開挖面獲得環(huán)狀的切槽組，形成垂直于開挖面的同心環(huán)切槽形的臨空面，相當(dāng)于裂隙發(fā)育，以利于滾壓裂紋貫通破巖；TBM其他原有的功能全部保留，在圍巖強(qiáng)度適合時(shí)仍采用常規(guī)模式掘進(jìn)。目前在研究中的還有激光輔助破巖方法，但這方面還有很長的路要走。

圖16 超高壓水輔助TBM破巖試驗(yàn)

4 結(jié)論與體會(huì)

目前，從刃口磨損形狀反推并分析滾刀與圍巖相互作用過程、反推破巖效果滿足性方面的研究較少。但刃口磨損形狀是各種因素作用下破巖效果的實(shí)際反饋，本文研究的內(nèi)容具有實(shí)際意義，并在盾構(gòu)TBM及刀盤的設(shè)計(jì)制造、主機(jī)針對性選型、現(xiàn)場操作使用方面發(fā)揮過作用。研究結(jié)論及體會(huì)如下：

1)在不同的圍巖條件下，對應(yīng)于不同類型的盾構(gòu)TBM、掘進(jìn)模式及控制參數(shù)，正滾刀正常磨損的刃口會(huì)呈現(xiàn)尖鼓形、棱形、矩形3種刃口形狀。這些刃口形狀是滾刀與圍巖相互作用過程的真實(shí)反映，對其進(jìn)行分析可為優(yōu)化掘進(jìn)方案提供依據(jù)。

2)滾刀在磨損后，其刃口的自磨損形狀反過來會(huì)影響掘進(jìn)效率。刃口形成尖鼓形狀和棱形形狀是脆性巖石破巖狀態(tài)比較理想的表現(xiàn)，也有利于貫入并可在破巖過程中自行保持。但尖鼓形刃口磨損速度快，可對掘進(jìn)模式及方案進(jìn)行優(yōu)化，目前已有相應(yīng)的有效措施。刃口形成矩形形狀表明破巖相對困難，刃口不利于貫入并越磨越寬，需要優(yōu)化但目前有效的措施較少。

3)針對具體的圍巖條件事先選擇合適的機(jī)型，對于設(shè)備設(shè)計(jì)制造應(yīng)事先預(yù)留較寬廣的功能及參數(shù)調(diào)整范圍，有利于在不同圍巖情況下根據(jù)刃口形狀采取優(yōu)化措施。設(shè)備進(jìn)洞后，在已有的功能性能條件下，也能夠通過優(yōu)化掘進(jìn)方案而改善破巖效果。

分析滾刀刃口磨損形狀反推破巖實(shí)際過程的方法是一個(gè)試驗(yàn)反饋分析類新課題，難點(diǎn)是連續(xù)、真實(shí)的現(xiàn)場第一手資料的統(tǒng)計(jì)分析，遺漏環(huán)節(jié)中的某個(gè)次要因素都會(huì)帶來誤判，從而影響到優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。但對提高破巖效率確實(shí)具有實(shí)際意義。因此，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步研究。